粒子線治療システム及び粒子線照射方法
【課題】径が小さい粒子ビームを用いる照射において、非円形形状のビームを円形に近づける技術を提供することにある。
【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも有する散乱体と、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置することによって、上記課題を解決する。
【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも有する散乱体と、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置することによって、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療システム及び粒子線照射方法に係り、特に、ビームサイズ比が１に近いビームを用いて線量分布の中で線量の高い領域を形成するのに好適な粒子線治療システム及び粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療システムは、陽子ビームや重粒子ビーム（炭素線等）の荷電粒子ビームを患者の患部に照射するがん治療の有効な手段の一つであり、今後、盛んに用いられる見込みである。粒子線治療システムには、患者の患部（標的領域）の線量分布を均一あるいは予め決められた分布に制御することが求められている。
【０００３】
荷電粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、荷電粒子ビームが停止する直前にエネルギーの大部分を放出してブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する特性と、そのブラッグカーブのピークであるブラッグピークの、深さ方向での位置は体内に入射する荷電粒子ビームのエネルギーの大きさで制御できる特性を利用する。粒子線治療では、荷電粒子ビームのエネルギーを適切に選択し、荷電粒子ビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。ここで、ブラッグピークの、深さ方向での幅は数mmである。通常、患部は深さ方向にそれ以上の厚みをもっている。このような患部において患部全体の深さ方向に渡って荷電粒子ビームを効果的に照射するには、深さ方向で患部大に広がり一様度の高い高線量領域（ＳＯＢＰ；Spread Out Bragg Peak）を形成するように、荷電粒子ビームのエネルギーと荷電粒子ビームの照射量を制御する必要がある。
【０００４】
荷電粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、リッジフィルタやＲＭＷ（Range Modulation Wheel）等を用いる方法、あるいは、加速器から出射する荷電粒子ビームのエネルギー種を変える方法で、ＳＯＢＰを形成することが知られている。
【０００５】
線量分布を均一等に制御する方法として、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面（照射野面）には、散乱体を用いて荷電粒子ビームを広げる方法や、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いて照射野面を走査する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３７６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
粒子線治療システムでは、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面（照射野面）において、円形に近い形状の荷電粒子ビームを用いることが望ましい。照射野面内での荷電粒子ビームの縦横比をビームサイズ比と呼ぶ。このビームサイズ比が１に近い方が円形に近いが、加速器で加速したビームは必ずしも円形ではない。
【０００８】
特許文献１は、荷電粒子ビームの照射範囲を径方向（ビーム進行方向に対して垂直な方向）に拡大する第１散乱体及び第２散乱体を、粒子線照射装置内に配置する粒子線治療システムを開示している。第１散乱体は荷電粒子ビームのビーム散乱量が大きい物質で構成され、ビーム径方向の線量分布を正規分布状に拡大する。第２散乱体は、荷電粒子ビームのビーム散乱角が大きい物質からなる円盤部と、この円盤部の外周側に設けられ、荷電粒子ビームのビーム散乱角が小さい物質からなるリング部で構成される、２重リング構造を有する。このような第２散乱体は、第１散乱体を通過した荷電粒子ビームのビーム径方向の線量分布を一様に拡大する機能を有する。
【０００９】
一方、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いて照射野面を走査する照射方法では、ビームサイズ比が１から大きくずれると、線量分布の形成の点から、照射野面で照射スポット位置を調整して線量一様度を得る必要があることが分かった。ビームサイズ比が変動すると、ビームサイズ比の大きさに応じて、照射スポット位置を調整する必要があり、大きな課題となる。そのために、照射野内での線量分布を一様、あるいは、予め決めた分布にするには、荷電粒子ビームのビーム形状を円形（ビームサイズ比が１に近いビーム）にする必要がある。
【００１０】
荷電粒子ビームのビームサイズ比が１から大きくずれる場合、ビーム輸送系の電磁石装置を用いて荷電粒子ビームの形状を調整する（円形に近づける）ことは可能である。しかし、回転ガントリーを備える粒子線治療システムの場合、電磁石装置はこの回転ガントリーの回転角度毎に荷電粒子ビームの形状を調整することが必要となり、このような調整にはさらに多大な労力を要する。省力化のためには、回転ガントリーの回転角度に無関係にしてビームサイズの調整を少なくするには、ビームサイズ比を１に近づけることが重要である。特に、ビーム径が小さい荷電粒子ビームのビーム形状を円形に近づける手段を開発することは重要である。
【００１１】
本発明者らは、荷電粒子ビームのビーム軌道上に散乱体を設置してビーム形状を調整する方法について種々検討を行った。散乱体は荷電粒子ビームに等方に散乱角を与える。散乱角の大きい粒子の場合、散乱体の通過前のビーム形状が非円形であっても、散乱後には円形に近づく。散乱体として平板を用いると、散乱は等方に起こるので、非円形の長軸，短軸の両方に散乱角が与えられる。このため、非円形ビームを円形に近づけるためには、長軸と短軸の差を埋めるべく散乱角を大きくする必要がある。この場合、非円形ビームの長軸の方も径が大きくなり、径の細いビームを用いようとする照射には不向きになる。逆に、散乱角を小さく押さえると円形形状への近づき方が悪く、非円形形状のままになる。
本発明の目的は、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いる照射において、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面でのビーム形状を円形に近づける粒子線治療システム及び粒子線照射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを加速する加速器と、この加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、散乱角が異なる複数の散乱部材を有する散乱体と、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることによって、非円形のビーム形状を円形形状にして、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成するようにしたものである。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、散乱体を通過する前の荷電粒子ビームのビーム形状を求め、散乱体の配置位置及び回転角度に関する移動指令信号を出力する中央制御装置を備え、散乱体制御装置は、中央制御装置からの移動指令信号に基づいて散乱体を移動及び回転して配置することによって、さらに所望のビーム形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【００１４】
（３）上記（１）において、好ましくは、走査電磁石で粒子線を走査して、標的領域に粒子線を照射するようにしたものである。
【００１５】
（４）上記（１）において、好ましくは、散乱角が異なる複数の散乱部材は、第１の散乱部材と、荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材より大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも備え、散乱体は、第２散乱部材が複数の第１散乱部材の間に配置される構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置する。
【００１６】
（５）上記（４）において、好ましくは、第２散乱部材の短軸方向の幅が、散乱体を通過する前のビーム径の長軸方向の長さよりも小さく、第２散乱部材の長軸方向の幅が、散乱体を通過する前のビーム径の短軸方向の長さより大きい構成とする。
【００１７】
（６）上記（１）（２）（３）において、好ましくは、散乱体は、第１散乱部材と第２散乱部材とを交互に複数配置した構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することによって、非円形ビームをより円形形状にすることを特徴とする非等方散乱体を用いるようにしたものである。
【００１８】
（７）上記（６）において、好ましくは、散乱体は、第２散乱部材をビーム中心周りに複数個設置し、ビーム中心から端になるにつれて、第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成とする。
【００１９】
（８）上記（１）（２）（３）において、好ましくは、散乱体は、第１散乱部材と、荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材と、この第１散乱部材及び第２散乱部材を支持する支持部材を有し、支持部材の一方の面に第１散乱部材を配置し、支持部材の他方の面に、第１支持部材の一部が重なるように第２支持部材を配置した構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に散乱体を配置することによって、非円形ビームをより円形形状にすることができる。
【００２０】
（９）荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、荷電粒子ビームの散乱角が異なる複数の散乱部材を有し、ビーム中心から離れるにつれて、散乱角が小さい散乱部材を配置し、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、散乱部材のうち最も散乱角が大きい散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることによって、非円形ビームをより円形形状にすることができる。
【００２１】
（１０）上記（９）において、好ましくは、散乱体は散乱角が異なる複数の散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有することにある。
【００２２】
（１１）また、荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を有する散乱体と、散乱体をビーム輸送系のビーム通過領域に配置する散乱体制御装置を備える粒子線治療システムの粒子線照射方法であって、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置し、散乱体を通過した荷電粒子ビームを粒子線照射装置に輸送し、この輸送された荷電粒子ビームを、粒子線照射装置内にある走査電磁石で偏向して出射することによって、標的領域に高線量領域の形成するようにした。
【００２３】
このような方法により、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、荷電粒子ビームのビーム形状を円形に近づけることができるので、回転ガントリーの回転角毎にビーム形状を調整する必要がなく、回転ガントリーの回転角度には依存せずに、所望の線量分布を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による散乱体の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による散乱体の説明図である。
【図６】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図８】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
粒子線を標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と、それらをつなぐ輸送系とからなる粒子線治療システムにおいて、水等価の飛程が同じになるように厚さを調整した、散乱角の異なる複数の物質を帯状に配列し、帯状に配列した散乱角の大きい物質の短軸方向の幅は非円形ビームの長軸方向の長さより短くし、散乱角の大きい物質の長軸方向の長さは非円形ビームの短軸方向の長さより長くした非等方散乱体を用いて、非円形形状のビームの短軸方向の幅を大きく拡大し非円形のビーム形状を円形形状にして、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成するようにしたものである。
【実施例１】
【００２７】
本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムの構成及び動作を、図１〜図５を用いて説明する。
【００２８】
まずは、図１を用いて本実施形態による粒子線治療システム１００の構成について説明する。図１は、実施例１の粒子線治療システム１００のシステム構成図である。
【００２９】
本実施形態の粒子線治療システム１００は、前段加速器（例えば、直線加速器）１，円形加速器（例えば、シンクロトロン）２，ビーム輸送系３，回転ガントリー４，粒子線照射装置５，制御装置６及び患者支持装置８を備える。
【００３０】
前段加速器１は、イオン源（図示せず）及びシンクロトロン２に接続される。シンクロトロン２は、ビーム加速装置である高周波加速空胴３０，高周波印加装置３１，出射用デフレクタ３２，四極電磁石３３及び偏向電磁石３４を有する。出射用デフレクタ３２がビーム輸送系３に接続される。
【００３１】
ビーム輸送系３は、散乱体１４，ビーム経路３５，四極電磁石３６及び偏向電磁石３７を備える。ビーム経路３５に沿って散乱体１４，四極電磁石３６及び偏向電磁石３７が配置される。散乱体１４は、散乱体駆動装置２４を介して散乱体制御部１５に接続される。
ビーム輸送系３の一部である逆Ｕ字のビーム経路３５を含む回転ガントリー４に、粒子線照射装置５が、回転ガントリー４に設置される。回転ガントリー４が回転することによって、患者７への荷電粒子ビームの照射方向を変更できる。ビーム輸送系３が、シンクロトロン２と粒子線照射装置５を接続する。
【００３２】
図２を用いて、粒子線照射装置５の内部構造について説明する。図２は、粒子線治療システム１００に用いる粒子線照射装置５の構成図である。粒子線照射装置５は、ケーシング（図示せず）を有する。このケーシングが回転ガントリーに取り付けられる。ケーシングの内部には、荷電粒子ビームのビーム進行方向の上流側から、ビームプロファイルモニタ１２，走査電磁石１３，線量モニタ１７，ブロックコリメータ１８及びマルチリーフコリメータ１９をビーム経路（ビーム軸）上に配置している。ビームプロファイルモニタ１２は、ビーム輸送系３を経てビーム経路３５から粒子線照射装置５に入射された荷電粒子ビームがビーム軸上に位置しているかを確認するモニタである。走査電磁石１３は、通過する荷電粒子ビームを偏向して走査する。この走査電磁石１３は、例えばビーム軸と垂直な平面上において互いに直交する方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に荷電粒子ビームを偏向し、照射位置をＸ方向及びＹ方向に動かすためのものである。線量モニタ１７は、粒子線照射装置５に入射された荷電粒子ビームの線量を検出するモニタである。ブロックコリメータ１８は、ビーム軸と垂直な平面上の荷電粒子ビームの照射野形状を成形する開口を有し、その開口の外部の荷電粒子ビームを遮蔽するものである。マルチリーフコリメータ１９は、荷電粒子ビームを遮蔽する多数の薄板を有し、薄板をビーム軸と垂直な平面上内へ移動することにより、荷電粒子ビームが通過する領域を任意の形状（患者７の患部の形状）成形するものである。符号２０は、患者７に荷電粒子ビームを当てる中心になるアイソセンタである。
【００３３】
制御装置６は、図１に示すように、加速器・輸送系制御部９，照射装置制御部１０，散乱体制御部１５及び中央制御部１１を備える。中央制御装置１１が、加速器・輸送系制御部９，照射装置制御部１０及び散乱体制御部１５に接続され、これらの制御部に指令信号を出力する。また、中央制御部１１は、ビーム輸送系３、治療計画装置２５及び表示装置２６に接続される。加速器・輸送系制御部９は、前段加速器１，シンクロトロン２及びビーム輸送系３に接続され、中央制御部１１からの指令信号に基づいて、前段加速器１，シンクロトロン２及びビーム輸送系３を制御する。照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５に接続され、中央制御装置１１からの指令信号に基づいて、粒子線照射装置５内の各機器を制御する。なお、照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５内に配置される走査電磁石１３に供給する電力を調整して、走査磁場を形成させて荷電粒子ビームの走査量を調整する機能を有する。散乱体制御部１５は、散乱体駆動装置２４に接続される。この散乱体制御部１５は、中央制御装置１１からの指令信号に基づいて、複数の散乱体のなかから所望の散乱体１４を選択し、選択された散乱体１４がビーム軌道上に配置されるように駆動指令信号を散乱体駆動装置２４に出力する。
【００３４】
治療計画装置２５は、医師によって予め入力されている患者情報（患部の位置及びサイズ，荷電粒子ビームの照射方向，最大照射深さ等）に基づいて治療計画情報を求める。この治療計画情報は、荷電粒子ビームのビームエネルギー，荷電粒子ビームの飛程，ＳＯＢＰ幅，照射野径，患者支持装置８の設置位置等を含む。治療計画装置２５は、この治療計画情報を治療計画装置２５内の記憶装置（図示せず）に記憶するとともに、中央制御部１１内の記憶装置（図示せず）に記憶させる。
【００３５】
中央制御部１１は、例えば、キーボードやマウスなどの入力装置から入力された患者識別情報に応じて、これから治療を行う患者７に関する治療計画情報を中央制御部１１内の記憶装置から読み込む。中央制御部１１は、この治療計画情報に基づいて、シンクロトロン２を構成する高周波加速空胴３０，高周波印加装置３１，出射用デフレクタ３２，四極電磁石３３及び偏向電磁石３４に対する制御指令データ（加速器制御指令データ），ビーム輸送系３を構成する四極電磁石３６及び偏向電磁石３７等の各機器に対する制御指令データ（輸送系制御指令データ），ビーム輸送系３のビーム軌道上に配置される散乱体１４の制御指令データ（散乱体制御指令データ）、及び粒子線照射装置５を構成するブロックコリメータ１８，マルチリーフコリメータ１９等の各機器の制御指令データ（照射装置制御指令データ）を作成する。このようにして作成された加速器制御指令データ及び輸送系制御指令データが加速器・輸送系制御部９に出力され、散乱体制御指令データが散乱体制御部１５へ出力され、照射装置制御指令データが照射装置制御部１０に出力される。
【００３６】
荷電粒子ビームを照射する対象である患者７をのせた患者支持装置８が移動され、患部がビーム軸の延長線上に位置するように、粒子線照射装置５の下に位置決めされる。中央制御部１１からの加速器制御指令データ及び輸送系制御指令データを入力した加速器・輸送系制御部９は、シンクロトロン２及びビーム輸送系３の電磁石を励磁する。また、照射装置制御指令データを入力した照射装置制御部１０は、これから治療を行う患者７の患部の形状に合わせて作成されたブロックコリメータ１８をビーム軌道上に配置し、マルチリーフコリメータ１９の多数の薄板を移動させて患者７の患部に合うように開口部を形成させる。このように荷電粒子ビームの出射準備が完了すると、医者は、制御室の操作盤から治療開始信号を中央制御部１１に出力する。
【００３７】
治療開始信号を入力した中央制御部１１はイオン源を起動させる。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子イオン，炭素イオン等）は、前段加速器１で加速される。前段加速器１から出射された荷電粒子ビームは、シンクロトロン２に入射される。この荷電粒子ビームは、シンクロトロン２で高周波加速空胴３０から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。
【００３８】
シンクロトロン２の内部を周回する荷電粒子ビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置３１から高周波が荷電粒子ビームに印加される。安定限界内で周回している荷電粒子ビームは、高周波印加装置３１による高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ３２を通ってシンクロトロン２から出射される。荷電粒子ビームの出射の際には、シンクロトロン２に設けられた四極電磁石３３及び偏向電磁石３４等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置３１への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン２からの荷電粒子ビームの出射が停止される。
【００３９】
シンクロトロン２から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３を経て粒子線照射装置５に達する。照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５内の走査電磁石１３に供給する電力を制御して、走査磁場を形成し、荷電粒子ビームを走査する。
【００４０】
荷電粒子ビームの進行方向に垂直な照射野へ照射する方法としては、走査電磁石１３を用いた、粒子ビームのスポット走査あるいはラスター走査等の方法がある。
【００４１】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による粒子線治療システム１００の散乱体１４の構成について説明する。
【００４２】
図３を用いて、散乱体１４について説明する。図３に、散乱体１４の例を示す。本実施例の散乱体１４は非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列し、水等価厚の飛程を同じになるように厚みが調整されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２は散乱角が大きい物質で構成されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは、第２散乱部材２２の散乱角よりも小さい物質で構成される。第２散乱部材２２が第１散乱部材２１ａと第１散乱部材２１ｂの間に配置される。第２散乱部材２２の長軸方向が、非円形ビームの長軸方向と垂直になるように、非等方散乱体１４を構築する。第１散乱部材２１は、第２散乱部材２２に比べて散乱角が無視できる程小さいほうが望ましい。この場合の第１散乱部材２１ａ，２１ｂの役割は、第２散乱部材２２の支持である。例えば、第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角の小さい物質として樹脂の一種であるＡＢＳやアルミニウム等で構成され、第２散乱部材２２は散乱角の大きい物質としてタングステン等で構成される。
【００４３】
本実施例の粒子線治療システム１００は、複数個の散乱体を準備している。それぞれの散乱体は、前述と同様、第２散乱部材を２つの第１散乱部材ではさんだ構成を有する。各散乱体は、水等価厚の飛程が同じになるように、第１散乱部材と第２散乱部材の厚みが調整されている。複数の散乱体は、第２散乱部材の短軸方向の長さ（幅）がそれぞれ異なる構成を有する。第２散乱部材の幅が異なる複数の散乱体を準備し、荷電粒子ビームのビームサイズ比に応じて散乱体をビーム軌道上に配置することにより、円形に近い形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【００４４】
第１散乱部材と第２散乱部材と散乱角の違いを利用して荷電粒子ビームの散乱量を非等方にする様子を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、ビーム軸垂直方向であって第２散乱部材２２をその長軸方向から見た図である。第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームは散乱を受けて、Ｙ軸方向にビームサイズが拡大する。図４（ｂ）は、ビーム軸垂直方向であって第２散乱部材２２をその短軸方向から見た図である。散乱体１４に入射する荷電粒子ビームのビームサイズは、第２散乱部材２２の短軸方向幅より大きい。第２散乱部材２２の短軸方向の幅が、入射される荷電粒子ビームのビームサイズよりも小さくなるように構成する必要がある。第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームは散乱を受けてビームの広がりが大きくなる。第１散乱部材２１ａ，２１ｂを通過した荷電粒子ビームは散乱角が小さいため、第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームよりもビームサイズが小さくなる。このため、Ｘ軸方向へのビームサイズの拡大はほとんどない。その結果、散乱体１４を通過した荷電粒子ビームは、非円形ビームの長軸方向であるＸ方向へのビーム拡大はほとんどなく、ビームの短軸方向であるＹ方向へのビーム拡大が大きくなり、ビーム形状は円形に近づく。
【００４５】
図５に、その様子を示す。図５は、ビーム軸方向から見た図である。図５（ａ）は、散乱体１４を通過する前の荷電粒子ビームのビーム形状を示す。荷電粒子ビームは非円形の形状を有する。図５（ｂ）は、散乱体１４を通過した後の荷電粒子ビームのビーム形状を示す。図５（ａ）の非円形ビームは、散乱体１４の長軸方向が非円形ビームの短軸方向と同じであり、荷電粒子ビームは第２散乱部材２２で大きく散乱を受け、ビーム短軸方向距離は大きくなる。一方、荷電粒子ビームの長軸方向の端部は、散乱角の小さい物質で構成される第１散乱部材２１を通過するので、散乱は小さく、荷電粒子ビームの長軸方向距離は大きくなるなり方が小さい。その結果、散乱体１４を通過する前のビーム形状が非円形であったとしても、散乱体１４を通過することによってビーム形状が円形に近づく。このように、非円形ビームは、非等方散乱体１４を通過して、円形に近づく。
【００４６】
散乱角は、元々持っているビームの散乱角σ1と散乱体の散乱角σ2とを用いて、散乱体を通過した後の散乱角σは、σ＝√（σ12＋σ22）で求められる。散乱体を通過する前のビーム散乱角のＸ成分とＹ成分の比率が（Ｘ1′，Ｙ1′）＝（１，５）の場合、等方散乱体による散乱角として、例えば、（Ｘ2′，Ｙ2′）＝（５，５）を用いるとすると、散乱体を通過後のビーム散乱角は（Ｘ′，Ｙ′）＝（５.１，７.１）となり、非円形の度合いは小さくなるが、非円形性は残る。非円形の度合いを更に小さくするには、散乱角を大きくすれば良いがビームサイズが大きくなる。これに対して、非等方散乱体による散乱角として、例えば、（Ｘ2′，Ｙ2′）＝（５，１）を用いると、非等方散乱体を通過後のビーム散乱角は（Ｘ′，Ｙ′）＝（５.１，５.１）になり、ビーム径を大きくすることなく、より円形に近づけることができる。
【００４７】
次に、散乱体１４の設置場所と操作について述べる。散乱体１４の設置場所は、図２に示す走査電磁石１３より上流のシンクロトロン２側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に設置する必要がある。ガントリー回転を行う場合、散乱体１４の設置場所は、回転ガントリー４の入口より上流の加速器側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に設置する必要がある。例えば、図１に示すように、ビーム輸送系３のビーム軌道上であって、回転ガントリー４の入口部より上流側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に、散乱体１４を設置する。散乱体１４は、散乱体駆動装置２４，散乱体制御部１５に接続されている。中央制御部１１は、ビーム輸送系３に配置される四極電磁石への励磁電流情報を受け取り、ビーム輸送軸に対して垂直な平面における荷電粒子ビームの傾き（非円形ビームの傾き）を示す回転角度情報を求める。さらに、中央制御部１１は、この回転角度情報に基づいて散乱体１４の配置位置及び回転角度を求め、散乱体１４の配置位置に関する移動指令信号及び回転角度に関する回転指令信号を散乱体制御部１５に出力する。散乱体制御部１５は、受け取った移動指令信号及び回転指令信号に基づいて、散乱体１４を移動・回転させる。散乱体制御部１５が散乱体１４を移動・回転することによって、荷電粒子ビームの短軸方向に非等方散乱体の散乱角が大きくなり、荷電粒子ビームの長軸方向に非等方散乱体の散乱角が小さくなるように散乱体１４を配置できる。このように配置を調整された散乱体１４を荷電粒子ビームが通過することで、非円形形状の荷電粒子ビームは円形に整形される。
【００４８】
非円形ビームを円形にするためには、回転ガントリー４の回転角毎に、回転ガントリー４の磁場を調整する必要があるが、散乱体１４を回転ガントリー４の上流側に設置することにより、ビーム形状を円形にすることができるので、ガントリー回転角毎に、回転ガントリー４の磁場調整は不要となる。
【００４９】
また、荷電粒子ビームのエネルギーが異なると、散乱体１４を通過する際の荷電粒子ビームの散乱角が異なる。このため、シンクロトロン２で加速する荷電粒子ビームのエネルギーを変更した場合には、ビーム軌道上に設置する散乱体１４の種類を変える必要がある。あるエネルギー範囲では、同一の散乱体を使用できる。本実施例の粒子線治療システム１００では、複数個の散乱体を予め準備しておいて、エネルギー変更時に切り替える。散乱体１４の切り替えのために、散乱体駆動装置２４を設置する。
【００５０】
以上のように、荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射装置を示した。粒子種としては、陽子の他に、炭素，ヘリウム等の重粒子ビームもあり、本装置及び本照射法は適用できるものである。
【実施例２】
【００５１】
以下に、本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。
【００５２】
本実施例の粒子線治療システム１０１は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ａに替えた構成を有する。
【００５３】
図６を用いて、本実施例の散乱体１４Ａの構成について説明する。散乱体１４Ａは非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列し、水等価厚の飛程を同じになるように厚みが調整されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは散乱角が大きい物質で構成される。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの散乱角は、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの散乱角よりも小さい。散乱体１４Ａは、第１散乱部材と第２散乱部材を複数例配置して構成される。第１散乱部材２１ａが第２散乱部材２２ａと第２散乱部材２２ｂの間に配置され、第１散乱部材２１ｂが第２散乱部材２２ｂと第２散乱部材２２ｃの間に配置される。つまり、散乱角が異なる２つの散乱部材（第２散乱部材と第１散乱部材）を交互に配置する。第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれの長軸方向が、非円形ビームの長軸方向と垂直になるように、第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの間に設置する。なお、第１散乱角部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに比べて、散乱角が無視できる程小さいほうが望ましい。
この場合の第１散乱部材の役割は、第２散乱部材の支持である。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃはそれぞれ同じ物質で構成され、例えば、樹脂の一種であるＡＢＳやアルミニウム等で構成される。第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはそれぞれ同じ物質で構成され、例えば、タングステン等で構成される。
【００５４】
本実施例の粒子線治療システム１０１でも複数個の散乱体１４Ａを準備する。それぞれの散乱体は、第１散乱部材と第２散乱部材を交互に配置した構成を有するが、第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの短軸方向の幅、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの短軸方向の幅がそれぞれ異なる。例えば、第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成を有する調整をする。このように、第２散乱部材の幅や間隔を調整することで、散乱体１４Ａを通過したビームサイズを調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。更には、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを、散乱角の異なる物質で、構成しても良い。
【００５５】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００５６】
本実施例によれば、散乱角の異なる物質を複数配列することによって、非円形ビーム形状の荷電粒子ビームを、より円形に近づけることができる。
【実施例３】
【００５７】
本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。本実施例の粒子線治療システム１０２は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ｂに替えた構成を有する。
【００５８】
図７を用いて、本実施例の散乱体１４Ｂの構成について説明する。散乱体１４Ｂは非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列する。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２は散乱角が大きい物質で構成される。第１散乱部材２１ａ，２１ｂの散乱角は、第２散乱部材２２の散乱角よりも小さい。第１散乱部材２１ａ，２１ｂと第２散乱部材２２は短軸方向のその厚みが異なる形状を有する。支持部材２３は、散乱角が無視できる程小さい物質で構成される。支持部材２３の一方の面に第１散乱部材２１ａ，２１ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２を配置する。第２散乱部材２２は、第１散乱部材２１ａと第１散乱部材２１ｂにはさまれる。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ及び第２散乱部材２２は、水等価厚の飛程が同じになるようにそれぞれの厚み（形状）が調整され、連続的にその厚みが変化する。このような構成により、第１散乱部材２１ａと第２散乱部材２２の接続部、及び第１散乱部材２１ｂと第２散乱部材２２の接続部で、散乱角が連続に変化するので、より円形に近い形状のビームが得られる。
【００５９】
本実施例の粒子線治療システム１０２でも複数個の散乱体１４Ｂを準備する。それぞれの散乱体は、前述と同様、支持部材２３の一方の面に第１散乱部材２１ａ，２１ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２を配置する構成を有するが、第１散乱部材２１ａ，２１ｂの短軸方向の幅、第２散乱部材２２の短軸方向の幅がそれぞれ異なる。このように、第２散乱部材の幅や間隔を調整することで、この散乱体１４Ｂを通過したビームサイズを調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。
【００６０】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００６１】
本実施例によれば、散乱角が連続的に変化するように散乱部材が配置されるため、より円形に近い形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【実施例４】
【００６２】
本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。本実施例の粒子線治療システム１０３は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ｃに替えた構成を有する。
【００６３】
図８を用いて、本実施例の散乱体１４Ｃの構成について説明する。散乱体１４Ｃは非等方散乱体であり、散乱角の異なる物質を複数配列する。散乱体１４を構成する散乱部材は、第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材の順番で散乱角が小さい物質で構成される。第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材は、短軸方向のその厚みが異なる形状を有する。支持部材２３は、散乱角が無視できる程小さい物質で構成される。支持部材２３の一方の面に第３散乱部材２７ａ，２７ｂと第５散乱部材２９ａ，２９ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２と第４散乱部材２８ａ，２８ｂを配置する。第２散乱部材２２は、第４散乱部材２８ａと第４散乱部材２８ｂの間に配置される。第３散乱部材２７ａ，２７ｂは、第５散乱部材２９ａと第５散乱部材２９ｂの間に配置される。第２散乱部材２２は、第３散乱部材２７ａ，２７ｂと重なるように位置される。第４散乱部材２８ａは、第３散乱部材２７ａと第５散乱部材２９ａと重なるように配置される。第４散乱部材２８ｂは、第３散乱部材２７ｂと第５散乱部材２９ｂと重なるように配置される。荷電粒子ビームのビーム中心に位置する第２散乱部材２２は、他の散乱部材よりも散乱角が大きい物質で構成され、ビームの端に位置する散乱部材になる程、散乱角が徐々に小さい物質となるように構成される。つまり、散乱体１４Ｃは、支持部材２３の中心付近に位置する第２散乱部材２が最も散乱角が大きく、支持部材２３の端に向かって順に散乱角が小さくなる散乱部材を配置する。第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材は、水等価厚の飛程が同じになるようにそれぞれの厚み（形状）が調整され、連続的にその厚みが変化する。このような構成により、散乱体１４Ｃを通過した荷電粒子ビームのビーム形状を、より円形に近づけることができる。
【００６４】
本実施例の粒子線治療システム１０３でも複数個の散乱体１４Ｃを準備する。それぞれの散乱体は、前述と同様、支持部材２３の一方の面に第３散乱部材２７ａ，２７ｂと第５散乱部材２９ａ，２９ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２と第４散乱部材２８ａ，２８ｂを配置する構成を有するが、第２散乱部材２２，第３散乱部材２７ａ，２７ｂ、第４散乱部材２８ａ，２８ｂ、第５散乱部材２９ａ，２９ｂの短軸方向の幅がそれぞれ異なる。このように、散乱部材の幅や間隔を調整することで、この散乱体１４Ｃを通過したビームサイズの調整を調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。
【００６５】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００６６】
実施例１〜４では、円形加速器２としてシンクロトロンを示したが、サイクロトロンを採用した場合にも同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 前段加速器
２ 円形加速器（シンクロトロン）
３ ビーム輸送系
４ 回転ガントリー
５ 粒子線照射装置
６ 制御装置
７ 患者
８ 患者支持装置
９ 加速器・輸送系制御部
１０ 照射装置制御部
１１ 中央制御部
１２ ビームプロファイルモニタ
１３ 走査電磁石
１４ 散乱体
１５ 散乱体制御部
１７ 線量モニタ
１８ ブロックコリメータ
１９ マルチリーフコリメータ
２０ アイソセンタ
２１ 第１散乱部材（散乱角の小さい物質）
２２ 第２散乱部材（散乱角の大きい物質）
２３ 支持部材
２４ 散乱体駆動装置
２５ 治療計画装置
２６ 表示装置
２７ 第３散乱部材
２８ 第４散乱部材
２９ 第５散乱部材
３０ 高周波加速空胴
３１ 高周波印加装置
３２ 出射用デフレクタ
３３，３６ 四極電磁石
３４，３７ 偏向電磁石
３５ ビーム経路
１００ 粒子線治療システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療システム及び粒子線照射方法に係り、特に、ビームサイズ比が１に近いビームを用いて線量分布の中で線量の高い領域を形成するのに好適な粒子線治療システム及び粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療システムは、陽子ビームや重粒子ビーム（炭素線等）の荷電粒子ビームを患者の患部に照射するがん治療の有効な手段の一つであり、今後、盛んに用いられる見込みである。粒子線治療システムには、患者の患部（標的領域）の線量分布を均一あるいは予め決められた分布に制御することが求められている。
【０００３】
荷電粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、荷電粒子ビームが停止する直前にエネルギーの大部分を放出してブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する特性と、そのブラッグカーブのピークであるブラッグピークの、深さ方向での位置は体内に入射する荷電粒子ビームのエネルギーの大きさで制御できる特性を利用する。粒子線治療では、荷電粒子ビームのエネルギーを適切に選択し、荷電粒子ビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。ここで、ブラッグピークの、深さ方向での幅は数mmである。通常、患部は深さ方向にそれ以上の厚みをもっている。このような患部において患部全体の深さ方向に渡って荷電粒子ビームを効果的に照射するには、深さ方向で患部大に広がり一様度の高い高線量領域（ＳＯＢＰ；Spread Out Bragg Peak）を形成するように、荷電粒子ビームのエネルギーと荷電粒子ビームの照射量を制御する必要がある。
【０００４】
荷電粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、リッジフィルタやＲＭＷ（Range Modulation Wheel）等を用いる方法、あるいは、加速器から出射する荷電粒子ビームのエネルギー種を変える方法で、ＳＯＢＰを形成することが知られている。
【０００５】
線量分布を均一等に制御する方法として、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面（照射野面）には、散乱体を用いて荷電粒子ビームを広げる方法や、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いて照射野面を走査する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３７６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
粒子線治療システムでは、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面（照射野面）において、円形に近い形状の荷電粒子ビームを用いることが望ましい。照射野面内での荷電粒子ビームの縦横比をビームサイズ比と呼ぶ。このビームサイズ比が１に近い方が円形に近いが、加速器で加速したビームは必ずしも円形ではない。
【０００８】
特許文献１は、荷電粒子ビームの照射範囲を径方向（ビーム進行方向に対して垂直な方向）に拡大する第１散乱体及び第２散乱体を、粒子線照射装置内に配置する粒子線治療システムを開示している。第１散乱体は荷電粒子ビームのビーム散乱量が大きい物質で構成され、ビーム径方向の線量分布を正規分布状に拡大する。第２散乱体は、荷電粒子ビームのビーム散乱角が大きい物質からなる円盤部と、この円盤部の外周側に設けられ、荷電粒子ビームのビーム散乱角が小さい物質からなるリング部で構成される、２重リング構造を有する。このような第２散乱体は、第１散乱体を通過した荷電粒子ビームのビーム径方向の線量分布を一様に拡大する機能を有する。
【０００９】
一方、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いて照射野面を走査する照射方法では、ビームサイズ比が１から大きくずれると、線量分布の形成の点から、照射野面で照射スポット位置を調整して線量一様度を得る必要があることが分かった。ビームサイズ比が変動すると、ビームサイズ比の大きさに応じて、照射スポット位置を調整する必要があり、大きな課題となる。そのために、照射野内での線量分布を一様、あるいは、予め決めた分布にするには、荷電粒子ビームのビーム形状を円形（ビームサイズ比が１に近いビーム）にする必要がある。
【００１０】
荷電粒子ビームのビームサイズ比が１から大きくずれる場合、ビーム輸送系の電磁石装置を用いて荷電粒子ビームの形状を調整する（円形に近づける）ことは可能である。しかし、回転ガントリーを備える粒子線治療システムの場合、電磁石装置はこの回転ガントリーの回転角度毎に荷電粒子ビームの形状を調整することが必要となり、このような調整にはさらに多大な労力を要する。省力化のためには、回転ガントリーの回転角度に無関係にしてビームサイズの調整を少なくするには、ビームサイズ比を１に近づけることが重要である。特に、ビーム径が小さい荷電粒子ビームのビーム形状を円形に近づける手段を開発することは重要である。
【００１１】
本発明者らは、荷電粒子ビームのビーム軌道上に散乱体を設置してビーム形状を調整する方法について種々検討を行った。散乱体は荷電粒子ビームに等方に散乱角を与える。散乱角の大きい粒子の場合、散乱体の通過前のビーム形状が非円形であっても、散乱後には円形に近づく。散乱体として平板を用いると、散乱は等方に起こるので、非円形の長軸，短軸の両方に散乱角が与えられる。このため、非円形ビームを円形に近づけるためには、長軸と短軸の差を埋めるべく散乱角を大きくする必要がある。この場合、非円形ビームの長軸の方も径が大きくなり、径の細いビームを用いようとする照射には不向きになる。逆に、散乱角を小さく押さえると円形形状への近づき方が悪く、非円形形状のままになる。
本発明の目的は、ビーム径が小さい荷電粒子ビームを用いる照射において、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面でのビーム形状を円形に近づける粒子線治療システム及び粒子線照射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを加速する加速器と、この加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、散乱角が異なる複数の散乱部材を有する散乱体と、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることによって、非円形のビーム形状を円形形状にして、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成するようにしたものである。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、散乱体を通過する前の荷電粒子ビームのビーム形状を求め、散乱体の配置位置及び回転角度に関する移動指令信号を出力する中央制御装置を備え、散乱体制御装置は、中央制御装置からの移動指令信号に基づいて散乱体を移動及び回転して配置することによって、さらに所望のビーム形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【００１４】
（３）上記（１）において、好ましくは、走査電磁石で粒子線を走査して、標的領域に粒子線を照射するようにしたものである。
【００１５】
（４）上記（１）において、好ましくは、散乱角が異なる複数の散乱部材は、第１の散乱部材と、荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材より大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも備え、散乱体は、第２散乱部材が複数の第１散乱部材の間に配置される構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置する。
【００１６】
（５）上記（４）において、好ましくは、第２散乱部材の短軸方向の幅が、散乱体を通過する前のビーム径の長軸方向の長さよりも小さく、第２散乱部材の長軸方向の幅が、散乱体を通過する前のビーム径の短軸方向の長さより大きい構成とする。
【００１７】
（６）上記（１）（２）（３）において、好ましくは、散乱体は、第１散乱部材と第２散乱部材とを交互に複数配置した構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することによって、非円形ビームをより円形形状にすることを特徴とする非等方散乱体を用いるようにしたものである。
【００１８】
（７）上記（６）において、好ましくは、散乱体は、第２散乱部材をビーム中心周りに複数個設置し、ビーム中心から端になるにつれて、第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成とする。
【００１９】
（８）上記（１）（２）（３）において、好ましくは、散乱体は、第１散乱部材と、荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材と、この第１散乱部材及び第２散乱部材を支持する支持部材を有し、支持部材の一方の面に第１散乱部材を配置し、支持部材の他方の面に、第１支持部材の一部が重なるように第２支持部材を配置した構成であり、第１散乱部材及び第２散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームが第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に散乱体を配置することによって、非円形ビームをより円形形状にすることができる。
【００２０】
（９）荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、荷電粒子ビームの散乱角が異なる複数の散乱部材を有し、ビーム中心から離れるにつれて、散乱角が小さい散乱部材を配置し、ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、散乱部材のうち最も散乱角が大きい散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることによって、非円形ビームをより円形形状にすることができる。
【００２１】
（１０）上記（９）において、好ましくは、散乱体は散乱角が異なる複数の散乱部材を通過した荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有することにある。
【００２２】
（１１）また、荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び荷電粒子ビームの散乱角が第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を有する散乱体と、散乱体をビーム輸送系のビーム通過領域に配置する散乱体制御装置を備える粒子線治療システムの粒子線照射方法であって、散乱体制御装置は、荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、第２散乱部材の長軸が横切るように散乱体を配置し、散乱体を通過した荷電粒子ビームを粒子線照射装置に輸送し、この輸送された荷電粒子ビームを、粒子線照射装置内にある走査電磁石で偏向して出射することによって、標的領域に高線量領域の形成するようにした。
【００２３】
このような方法により、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、荷電粒子ビームのビーム形状を円形に近づけることができるので、回転ガントリーの回転角毎にビーム形状を調整する必要がなく、回転ガントリーの回転角度には依存せずに、所望の線量分布を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による散乱体の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による散乱体の説明図である。
【図６】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【図８】本発明の他の実施形態による散乱体の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
粒子線を標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と、それらをつなぐ輸送系とからなる粒子線治療システムにおいて、水等価の飛程が同じになるように厚さを調整した、散乱角の異なる複数の物質を帯状に配列し、帯状に配列した散乱角の大きい物質の短軸方向の幅は非円形ビームの長軸方向の長さより短くし、散乱角の大きい物質の長軸方向の長さは非円形ビームの短軸方向の長さより長くした非等方散乱体を用いて、非円形形状のビームの短軸方向の幅を大きく拡大し非円形のビーム形状を円形形状にして、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成するようにしたものである。
【実施例１】
【００２７】
本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムの構成及び動作を、図１〜図５を用いて説明する。
【００２８】
まずは、図１を用いて本実施形態による粒子線治療システム１００の構成について説明する。図１は、実施例１の粒子線治療システム１００のシステム構成図である。
【００２９】
本実施形態の粒子線治療システム１００は、前段加速器（例えば、直線加速器）１，円形加速器（例えば、シンクロトロン）２，ビーム輸送系３，回転ガントリー４，粒子線照射装置５，制御装置６及び患者支持装置８を備える。
【００３０】
前段加速器１は、イオン源（図示せず）及びシンクロトロン２に接続される。シンクロトロン２は、ビーム加速装置である高周波加速空胴３０，高周波印加装置３１，出射用デフレクタ３２，四極電磁石３３及び偏向電磁石３４を有する。出射用デフレクタ３２がビーム輸送系３に接続される。
【００３１】
ビーム輸送系３は、散乱体１４，ビーム経路３５，四極電磁石３６及び偏向電磁石３７を備える。ビーム経路３５に沿って散乱体１４，四極電磁石３６及び偏向電磁石３７が配置される。散乱体１４は、散乱体駆動装置２４を介して散乱体制御部１５に接続される。
ビーム輸送系３の一部である逆Ｕ字のビーム経路３５を含む回転ガントリー４に、粒子線照射装置５が、回転ガントリー４に設置される。回転ガントリー４が回転することによって、患者７への荷電粒子ビームの照射方向を変更できる。ビーム輸送系３が、シンクロトロン２と粒子線照射装置５を接続する。
【００３２】
図２を用いて、粒子線照射装置５の内部構造について説明する。図２は、粒子線治療システム１００に用いる粒子線照射装置５の構成図である。粒子線照射装置５は、ケーシング（図示せず）を有する。このケーシングが回転ガントリーに取り付けられる。ケーシングの内部には、荷電粒子ビームのビーム進行方向の上流側から、ビームプロファイルモニタ１２，走査電磁石１３，線量モニタ１７，ブロックコリメータ１８及びマルチリーフコリメータ１９をビーム経路（ビーム軸）上に配置している。ビームプロファイルモニタ１２は、ビーム輸送系３を経てビーム経路３５から粒子線照射装置５に入射された荷電粒子ビームがビーム軸上に位置しているかを確認するモニタである。走査電磁石１３は、通過する荷電粒子ビームを偏向して走査する。この走査電磁石１３は、例えばビーム軸と垂直な平面上において互いに直交する方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に荷電粒子ビームを偏向し、照射位置をＸ方向及びＹ方向に動かすためのものである。線量モニタ１７は、粒子線照射装置５に入射された荷電粒子ビームの線量を検出するモニタである。ブロックコリメータ１８は、ビーム軸と垂直な平面上の荷電粒子ビームの照射野形状を成形する開口を有し、その開口の外部の荷電粒子ビームを遮蔽するものである。マルチリーフコリメータ１９は、荷電粒子ビームを遮蔽する多数の薄板を有し、薄板をビーム軸と垂直な平面上内へ移動することにより、荷電粒子ビームが通過する領域を任意の形状（患者７の患部の形状）成形するものである。符号２０は、患者７に荷電粒子ビームを当てる中心になるアイソセンタである。
【００３３】
制御装置６は、図１に示すように、加速器・輸送系制御部９，照射装置制御部１０，散乱体制御部１５及び中央制御部１１を備える。中央制御装置１１が、加速器・輸送系制御部９，照射装置制御部１０及び散乱体制御部１５に接続され、これらの制御部に指令信号を出力する。また、中央制御部１１は、ビーム輸送系３、治療計画装置２５及び表示装置２６に接続される。加速器・輸送系制御部９は、前段加速器１，シンクロトロン２及びビーム輸送系３に接続され、中央制御部１１からの指令信号に基づいて、前段加速器１，シンクロトロン２及びビーム輸送系３を制御する。照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５に接続され、中央制御装置１１からの指令信号に基づいて、粒子線照射装置５内の各機器を制御する。なお、照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５内に配置される走査電磁石１３に供給する電力を調整して、走査磁場を形成させて荷電粒子ビームの走査量を調整する機能を有する。散乱体制御部１５は、散乱体駆動装置２４に接続される。この散乱体制御部１５は、中央制御装置１１からの指令信号に基づいて、複数の散乱体のなかから所望の散乱体１４を選択し、選択された散乱体１４がビーム軌道上に配置されるように駆動指令信号を散乱体駆動装置２４に出力する。
【００３４】
治療計画装置２５は、医師によって予め入力されている患者情報（患部の位置及びサイズ，荷電粒子ビームの照射方向，最大照射深さ等）に基づいて治療計画情報を求める。この治療計画情報は、荷電粒子ビームのビームエネルギー，荷電粒子ビームの飛程，ＳＯＢＰ幅，照射野径，患者支持装置８の設置位置等を含む。治療計画装置２５は、この治療計画情報を治療計画装置２５内の記憶装置（図示せず）に記憶するとともに、中央制御部１１内の記憶装置（図示せず）に記憶させる。
【００３５】
中央制御部１１は、例えば、キーボードやマウスなどの入力装置から入力された患者識別情報に応じて、これから治療を行う患者７に関する治療計画情報を中央制御部１１内の記憶装置から読み込む。中央制御部１１は、この治療計画情報に基づいて、シンクロトロン２を構成する高周波加速空胴３０，高周波印加装置３１，出射用デフレクタ３２，四極電磁石３３及び偏向電磁石３４に対する制御指令データ（加速器制御指令データ），ビーム輸送系３を構成する四極電磁石３６及び偏向電磁石３７等の各機器に対する制御指令データ（輸送系制御指令データ），ビーム輸送系３のビーム軌道上に配置される散乱体１４の制御指令データ（散乱体制御指令データ）、及び粒子線照射装置５を構成するブロックコリメータ１８，マルチリーフコリメータ１９等の各機器の制御指令データ（照射装置制御指令データ）を作成する。このようにして作成された加速器制御指令データ及び輸送系制御指令データが加速器・輸送系制御部９に出力され、散乱体制御指令データが散乱体制御部１５へ出力され、照射装置制御指令データが照射装置制御部１０に出力される。
【００３６】
荷電粒子ビームを照射する対象である患者７をのせた患者支持装置８が移動され、患部がビーム軸の延長線上に位置するように、粒子線照射装置５の下に位置決めされる。中央制御部１１からの加速器制御指令データ及び輸送系制御指令データを入力した加速器・輸送系制御部９は、シンクロトロン２及びビーム輸送系３の電磁石を励磁する。また、照射装置制御指令データを入力した照射装置制御部１０は、これから治療を行う患者７の患部の形状に合わせて作成されたブロックコリメータ１８をビーム軌道上に配置し、マルチリーフコリメータ１９の多数の薄板を移動させて患者７の患部に合うように開口部を形成させる。このように荷電粒子ビームの出射準備が完了すると、医者は、制御室の操作盤から治療開始信号を中央制御部１１に出力する。
【００３７】
治療開始信号を入力した中央制御部１１はイオン源を起動させる。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子イオン，炭素イオン等）は、前段加速器１で加速される。前段加速器１から出射された荷電粒子ビームは、シンクロトロン２に入射される。この荷電粒子ビームは、シンクロトロン２で高周波加速空胴３０から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。
【００３８】
シンクロトロン２の内部を周回する荷電粒子ビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置３１から高周波が荷電粒子ビームに印加される。安定限界内で周回している荷電粒子ビームは、高周波印加装置３１による高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ３２を通ってシンクロトロン２から出射される。荷電粒子ビームの出射の際には、シンクロトロン２に設けられた四極電磁石３３及び偏向電磁石３４等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置３１への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン２からの荷電粒子ビームの出射が停止される。
【００３９】
シンクロトロン２から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３を経て粒子線照射装置５に達する。照射装置制御部１０は、粒子線照射装置５内の走査電磁石１３に供給する電力を制御して、走査磁場を形成し、荷電粒子ビームを走査する。
【００４０】
荷電粒子ビームの進行方向に垂直な照射野へ照射する方法としては、走査電磁石１３を用いた、粒子ビームのスポット走査あるいはラスター走査等の方法がある。
【００４１】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による粒子線治療システム１００の散乱体１４の構成について説明する。
【００４２】
図３を用いて、散乱体１４について説明する。図３に、散乱体１４の例を示す。本実施例の散乱体１４は非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列し、水等価厚の飛程を同じになるように厚みが調整されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２は散乱角が大きい物質で構成されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは、第２散乱部材２２の散乱角よりも小さい物質で構成される。第２散乱部材２２が第１散乱部材２１ａと第１散乱部材２１ｂの間に配置される。第２散乱部材２２の長軸方向が、非円形ビームの長軸方向と垂直になるように、非等方散乱体１４を構築する。第１散乱部材２１は、第２散乱部材２２に比べて散乱角が無視できる程小さいほうが望ましい。この場合の第１散乱部材２１ａ，２１ｂの役割は、第２散乱部材２２の支持である。例えば、第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角の小さい物質として樹脂の一種であるＡＢＳやアルミニウム等で構成され、第２散乱部材２２は散乱角の大きい物質としてタングステン等で構成される。
【００４３】
本実施例の粒子線治療システム１００は、複数個の散乱体を準備している。それぞれの散乱体は、前述と同様、第２散乱部材を２つの第１散乱部材ではさんだ構成を有する。各散乱体は、水等価厚の飛程が同じになるように、第１散乱部材と第２散乱部材の厚みが調整されている。複数の散乱体は、第２散乱部材の短軸方向の長さ（幅）がそれぞれ異なる構成を有する。第２散乱部材の幅が異なる複数の散乱体を準備し、荷電粒子ビームのビームサイズ比に応じて散乱体をビーム軌道上に配置することにより、円形に近い形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【００４４】
第１散乱部材と第２散乱部材と散乱角の違いを利用して荷電粒子ビームの散乱量を非等方にする様子を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、ビーム軸垂直方向であって第２散乱部材２２をその長軸方向から見た図である。第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームは散乱を受けて、Ｙ軸方向にビームサイズが拡大する。図４（ｂ）は、ビーム軸垂直方向であって第２散乱部材２２をその短軸方向から見た図である。散乱体１４に入射する荷電粒子ビームのビームサイズは、第２散乱部材２２の短軸方向幅より大きい。第２散乱部材２２の短軸方向の幅が、入射される荷電粒子ビームのビームサイズよりも小さくなるように構成する必要がある。第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームは散乱を受けてビームの広がりが大きくなる。第１散乱部材２１ａ，２１ｂを通過した荷電粒子ビームは散乱角が小さいため、第２散乱部材２２を通過した荷電粒子ビームよりもビームサイズが小さくなる。このため、Ｘ軸方向へのビームサイズの拡大はほとんどない。その結果、散乱体１４を通過した荷電粒子ビームは、非円形ビームの長軸方向であるＸ方向へのビーム拡大はほとんどなく、ビームの短軸方向であるＹ方向へのビーム拡大が大きくなり、ビーム形状は円形に近づく。
【００４５】
図５に、その様子を示す。図５は、ビーム軸方向から見た図である。図５（ａ）は、散乱体１４を通過する前の荷電粒子ビームのビーム形状を示す。荷電粒子ビームは非円形の形状を有する。図５（ｂ）は、散乱体１４を通過した後の荷電粒子ビームのビーム形状を示す。図５（ａ）の非円形ビームは、散乱体１４の長軸方向が非円形ビームの短軸方向と同じであり、荷電粒子ビームは第２散乱部材２２で大きく散乱を受け、ビーム短軸方向距離は大きくなる。一方、荷電粒子ビームの長軸方向の端部は、散乱角の小さい物質で構成される第１散乱部材２１を通過するので、散乱は小さく、荷電粒子ビームの長軸方向距離は大きくなるなり方が小さい。その結果、散乱体１４を通過する前のビーム形状が非円形であったとしても、散乱体１４を通過することによってビーム形状が円形に近づく。このように、非円形ビームは、非等方散乱体１４を通過して、円形に近づく。
【００４６】
散乱角は、元々持っているビームの散乱角σ1と散乱体の散乱角σ2とを用いて、散乱体を通過した後の散乱角σは、σ＝√（σ12＋σ22）で求められる。散乱体を通過する前のビーム散乱角のＸ成分とＹ成分の比率が（Ｘ1′，Ｙ1′）＝（１，５）の場合、等方散乱体による散乱角として、例えば、（Ｘ2′，Ｙ2′）＝（５，５）を用いるとすると、散乱体を通過後のビーム散乱角は（Ｘ′，Ｙ′）＝（５.１，７.１）となり、非円形の度合いは小さくなるが、非円形性は残る。非円形の度合いを更に小さくするには、散乱角を大きくすれば良いがビームサイズが大きくなる。これに対して、非等方散乱体による散乱角として、例えば、（Ｘ2′，Ｙ2′）＝（５，１）を用いると、非等方散乱体を通過後のビーム散乱角は（Ｘ′，Ｙ′）＝（５.１，５.１）になり、ビーム径を大きくすることなく、より円形に近づけることができる。
【００４７】
次に、散乱体１４の設置場所と操作について述べる。散乱体１４の設置場所は、図２に示す走査電磁石１３より上流のシンクロトロン２側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に設置する必要がある。ガントリー回転を行う場合、散乱体１４の設置場所は、回転ガントリー４の入口より上流の加速器側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に設置する必要がある。例えば、図１に示すように、ビーム輸送系３のビーム軌道上であって、回転ガントリー４の入口部より上流側で、シンクロトロン２を構成する出射用デフレクタ３２より下流側に、散乱体１４を設置する。散乱体１４は、散乱体駆動装置２４，散乱体制御部１５に接続されている。中央制御部１１は、ビーム輸送系３に配置される四極電磁石への励磁電流情報を受け取り、ビーム輸送軸に対して垂直な平面における荷電粒子ビームの傾き（非円形ビームの傾き）を示す回転角度情報を求める。さらに、中央制御部１１は、この回転角度情報に基づいて散乱体１４の配置位置及び回転角度を求め、散乱体１４の配置位置に関する移動指令信号及び回転角度に関する回転指令信号を散乱体制御部１５に出力する。散乱体制御部１５は、受け取った移動指令信号及び回転指令信号に基づいて、散乱体１４を移動・回転させる。散乱体制御部１５が散乱体１４を移動・回転することによって、荷電粒子ビームの短軸方向に非等方散乱体の散乱角が大きくなり、荷電粒子ビームの長軸方向に非等方散乱体の散乱角が小さくなるように散乱体１４を配置できる。このように配置を調整された散乱体１４を荷電粒子ビームが通過することで、非円形形状の荷電粒子ビームは円形に整形される。
【００４８】
非円形ビームを円形にするためには、回転ガントリー４の回転角毎に、回転ガントリー４の磁場を調整する必要があるが、散乱体１４を回転ガントリー４の上流側に設置することにより、ビーム形状を円形にすることができるので、ガントリー回転角毎に、回転ガントリー４の磁場調整は不要となる。
【００４９】
また、荷電粒子ビームのエネルギーが異なると、散乱体１４を通過する際の荷電粒子ビームの散乱角が異なる。このため、シンクロトロン２で加速する荷電粒子ビームのエネルギーを変更した場合には、ビーム軌道上に設置する散乱体１４の種類を変える必要がある。あるエネルギー範囲では、同一の散乱体を使用できる。本実施例の粒子線治療システム１００では、複数個の散乱体を予め準備しておいて、エネルギー変更時に切り替える。散乱体１４の切り替えのために、散乱体駆動装置２４を設置する。
【００５０】
以上のように、荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射装置を示した。粒子種としては、陽子の他に、炭素，ヘリウム等の重粒子ビームもあり、本装置及び本照射法は適用できるものである。
【実施例２】
【００５１】
以下に、本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。
【００５２】
本実施例の粒子線治療システム１０１は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ａに替えた構成を有する。
【００５３】
図６を用いて、本実施例の散乱体１４Ａの構成について説明する。散乱体１４Ａは非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列し、水等価厚の飛程を同じになるように厚みが調整されている。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは散乱角が大きい物質で構成される。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの散乱角は、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの散乱角よりも小さい。散乱体１４Ａは、第１散乱部材と第２散乱部材を複数例配置して構成される。第１散乱部材２１ａが第２散乱部材２２ａと第２散乱部材２２ｂの間に配置され、第１散乱部材２１ｂが第２散乱部材２２ｂと第２散乱部材２２ｃの間に配置される。つまり、散乱角が異なる２つの散乱部材（第２散乱部材と第１散乱部材）を交互に配置する。第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれの長軸方向が、非円形ビームの長軸方向と垂直になるように、第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの間に設置する。なお、第１散乱角部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに比べて、散乱角が無視できる程小さいほうが望ましい。
この場合の第１散乱部材の役割は、第２散乱部材の支持である。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃはそれぞれ同じ物質で構成され、例えば、樹脂の一種であるＡＢＳやアルミニウム等で構成される。第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはそれぞれ同じ物質で構成され、例えば、タングステン等で構成される。
【００５４】
本実施例の粒子線治療システム１０１でも複数個の散乱体１４Ａを準備する。それぞれの散乱体は、第１散乱部材と第２散乱部材を交互に配置した構成を有するが、第１散乱部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃの短軸方向の幅、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの短軸方向の幅がそれぞれ異なる。例えば、第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成を有する調整をする。このように、第２散乱部材の幅や間隔を調整することで、散乱体１４Ａを通過したビームサイズを調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。更には、第２散乱部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを、散乱角の異なる物質で、構成しても良い。
【００５５】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００５６】
本実施例によれば、散乱角の異なる物質を複数配列することによって、非円形ビーム形状の荷電粒子ビームを、より円形に近づけることができる。
【実施例３】
【００５７】
本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。本実施例の粒子線治療システム１０２は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ｂに替えた構成を有する。
【００５８】
図７を用いて、本実施例の散乱体１４Ｂの構成について説明する。散乱体１４Ｂは非等方散乱体であり、散乱角の異なる２種類の物質を配列する。第１散乱部材２１ａ，２１ｂは散乱角が小さい物質で構成され、第２散乱部材２２は散乱角が大きい物質で構成される。第１散乱部材２１ａ，２１ｂの散乱角は、第２散乱部材２２の散乱角よりも小さい。第１散乱部材２１ａ，２１ｂと第２散乱部材２２は短軸方向のその厚みが異なる形状を有する。支持部材２３は、散乱角が無視できる程小さい物質で構成される。支持部材２３の一方の面に第１散乱部材２１ａ，２１ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２を配置する。第２散乱部材２２は、第１散乱部材２１ａと第１散乱部材２１ｂにはさまれる。第１散乱部材２１ａ，２１ｂ及び第２散乱部材２２は、水等価厚の飛程が同じになるようにそれぞれの厚み（形状）が調整され、連続的にその厚みが変化する。このような構成により、第１散乱部材２１ａと第２散乱部材２２の接続部、及び第１散乱部材２１ｂと第２散乱部材２２の接続部で、散乱角が連続に変化するので、より円形に近い形状のビームが得られる。
【００５９】
本実施例の粒子線治療システム１０２でも複数個の散乱体１４Ｂを準備する。それぞれの散乱体は、前述と同様、支持部材２３の一方の面に第１散乱部材２１ａ，２１ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２を配置する構成を有するが、第１散乱部材２１ａ，２１ｂの短軸方向の幅、第２散乱部材２２の短軸方向の幅がそれぞれ異なる。このように、第２散乱部材の幅や間隔を調整することで、この散乱体１４Ｂを通過したビームサイズを調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。
【００６０】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００６１】
本実施例によれば、散乱角が連続的に変化するように散乱部材が配置されるため、より円形に近い形状の荷電粒子ビームを得ることができる。
【実施例４】
【００６２】
本発明の他の実施例である粒子線治療システムについて説明する。本実施例の粒子線治療システム１０３は、実施例１の粒子線治療システム１００において、ビーム輸送系３のビーム軌道上に設置する散乱体１４を、散乱体１４Ｃに替えた構成を有する。
【００６３】
図８を用いて、本実施例の散乱体１４Ｃの構成について説明する。散乱体１４Ｃは非等方散乱体であり、散乱角の異なる物質を複数配列する。散乱体１４を構成する散乱部材は、第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材の順番で散乱角が小さい物質で構成される。第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材は、短軸方向のその厚みが異なる形状を有する。支持部材２３は、散乱角が無視できる程小さい物質で構成される。支持部材２３の一方の面に第３散乱部材２７ａ，２７ｂと第５散乱部材２９ａ，２９ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２と第４散乱部材２８ａ，２８ｂを配置する。第２散乱部材２２は、第４散乱部材２８ａと第４散乱部材２８ｂの間に配置される。第３散乱部材２７ａ，２７ｂは、第５散乱部材２９ａと第５散乱部材２９ｂの間に配置される。第２散乱部材２２は、第３散乱部材２７ａ，２７ｂと重なるように位置される。第４散乱部材２８ａは、第３散乱部材２７ａと第５散乱部材２９ａと重なるように配置される。第４散乱部材２８ｂは、第３散乱部材２７ｂと第５散乱部材２９ｂと重なるように配置される。荷電粒子ビームのビーム中心に位置する第２散乱部材２２は、他の散乱部材よりも散乱角が大きい物質で構成され、ビームの端に位置する散乱部材になる程、散乱角が徐々に小さい物質となるように構成される。つまり、散乱体１４Ｃは、支持部材２３の中心付近に位置する第２散乱部材２が最も散乱角が大きく、支持部材２３の端に向かって順に散乱角が小さくなる散乱部材を配置する。第２散乱部材，第３散乱部材，第４散乱部材，第５散乱部材は、水等価厚の飛程が同じになるようにそれぞれの厚み（形状）が調整され、連続的にその厚みが変化する。このような構成により、散乱体１４Ｃを通過した荷電粒子ビームのビーム形状を、より円形に近づけることができる。
【００６４】
本実施例の粒子線治療システム１０３でも複数個の散乱体１４Ｃを準備する。それぞれの散乱体は、前述と同様、支持部材２３の一方の面に第３散乱部材２７ａ，２７ｂと第５散乱部材２９ａ，２９ｂを配置し、他方の面に第２散乱部材２２と第４散乱部材２８ａ，２８ｂを配置する構成を有するが、第２散乱部材２２，第３散乱部材２７ａ，２７ｂ、第４散乱部材２８ａ，２８ｂ、第５散乱部材２９ａ，２９ｂの短軸方向の幅がそれぞれ異なる。このように、散乱部材の幅や間隔を調整することで、この散乱体１４Ｃを通過したビームサイズの調整を調整することができる。また、荷電粒子ビームの強度分布を調整することができる。
【００６５】
本実施例によれば、ビームサイズ比が１から大きくずれているビーム形状を円形に近い形状にすることができるので、ガントリー回転角毎に調整する必要がなく、ガントリー角度とは無関係に、線量分布一様度の形成が容易にできるものとなる。
【００６６】
実施例１〜４では、円形加速器２としてシンクロトロンを示したが、サイクロトロンを採用した場合にも同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 前段加速器
２ 円形加速器（シンクロトロン）
３ ビーム輸送系
４ 回転ガントリー
５ 粒子線照射装置
６ 制御装置
７ 患者
８ 患者支持装置
９ 加速器・輸送系制御部
１０ 照射装置制御部
１１ 中央制御部
１２ ビームプロファイルモニタ
１３ 走査電磁石
１４ 散乱体
１５ 散乱体制御部
１７ 線量モニタ
１８ ブロックコリメータ
１９ マルチリーフコリメータ
２０ アイソセンタ
２１ 第１散乱部材（散乱角の小さい物質）
２２ 第２散乱部材（散乱角の大きい物質）
２３ 支持部材
２４ 散乱体駆動装置
２５ 治療計画装置
２６ 表示装置
２７ 第３散乱部材
２８ 第４散乱部材
２９ 第５散乱部材
３０ 高周波加速空胴
３１ 高周波印加装置
３２ 出射用デフレクタ
３３，３６ 四極電磁石
３４，３７ 偏向電磁石
３５ ビーム経路
１００ 粒子線治療システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、
前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、
第１散乱部材及び前記荷電粒子ビームの散乱角が前記第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも有する散乱体と、
前記ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記第２散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項２】
前記散乱体を通過する前の前記荷電粒子ビームのビーム形状を求め、前記散乱体の配置位置及び回転角度に関する移動指令信号を出力する中央制御装置を備え、
前記散乱体制御装置は、前記中央制御装置からの移動指令信号に基づいて前記散乱体を移動及び回転して配置することを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
【請求項３】
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
【請求項４】
前記散乱体は、前記第２散乱部材が複数の前記第１散乱部材の間に配置された構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項５】
前記散乱体は、前記第２散乱部材の短軸方向の幅が、前記散乱体を通過する前の前記ビーム径の長軸方向の長さよりも小さく、前記第２散乱部材の長軸方向の幅が、前記散乱体を通過する前の前記ビーム径の短軸方向の長さより大きい構成であることを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システム。
【請求項６】
前記散乱体は、複数の第１散乱部材と複数の第２散乱部材を有して前記第１散乱部材と前記第２散乱部材とを交互に配置した構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項７】
前記散乱体は、前記第２散乱部材をビーム中心周りに複数個設置し、ビーム中心から端になるにつれて、前記第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成を有することを特徴とする請求項６に記載の粒子線治療システム。
【請求項８】
前記散乱体は、第１散乱部材及び第２散乱部材を支持する支持部材を有し、前記支持部材の一方の面に前記第１散乱部材を配置し、前記支持部材の他方の面に、前記第１支持部材の一部が重なるように前記第２支持部材を配置した構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項９】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、
前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビームの散乱角が異なる複数の散乱部材を有し、ビーム中心から離れるにつれて、散乱角が小さい散乱部材を配置し、
前記ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記散乱部材のうち最も散乱角が大きい前記散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１０】
前記散乱体は、前記散乱角が異なる複数の散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有することを特徴とする請求項９に記載の粒子線治療システム。
【請求項１１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び前記荷電粒子ビームの散乱角が前記第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を有する散乱体と、前記散乱体をビーム輸送系のビーム通過領域に配置する散乱体制御装置を備える粒子線治療システムの粒子線照射方法であって、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記第２散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置し、
前記散乱体を通過した前記荷電粒子ビームを前記粒子線照射装置に輸送し、
この輸送された前記荷電粒子ビームを、前記粒子線照射装置に配置された走査電磁石で偏向して出射することを特徴とする粒子線治療システムの粒子線照射方法。
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、
前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、
第１散乱部材及び前記荷電粒子ビームの散乱角が前記第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を少なくとも有する散乱体と、
前記ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記第２散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項２】
前記散乱体を通過する前の前記荷電粒子ビームのビーム形状を求め、前記散乱体の配置位置及び回転角度に関する移動指令信号を出力する中央制御装置を備え、
前記散乱体制御装置は、前記中央制御装置からの移動指令信号に基づいて前記散乱体を移動及び回転して配置することを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
【請求項３】
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
【請求項４】
前記散乱体は、前記第２散乱部材が複数の前記第１散乱部材の間に配置された構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項５】
前記散乱体は、前記第２散乱部材の短軸方向の幅が、前記散乱体を通過する前の前記ビーム径の長軸方向の長さよりも小さく、前記第２散乱部材の長軸方向の幅が、前記散乱体を通過する前の前記ビーム径の短軸方向の長さより大きい構成であることを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システム。
【請求項６】
前記散乱体は、複数の第１散乱部材と複数の第２散乱部材を有して前記第１散乱部材と前記第２散乱部材とを交互に配置した構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項７】
前記散乱体は、前記第２散乱部材をビーム中心周りに複数個設置し、ビーム中心から端になるにつれて、前記第２散乱部材の幅と間隔を徐々に小さくした構成を有することを特徴とする請求項６に記載の粒子線治療システム。
【請求項８】
前記散乱体は、第１散乱部材及び第２散乱部材を支持する支持部材を有し、前記支持部材の一方の面に前記第１散乱部材を配置し、前記支持部材の他方の面に、前記第１支持部材の一部が重なるように前記第２支持部材を配置した構成であり、前記第１散乱部材及び前記第２散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有し、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記第１散乱部材及び第２散乱部材を通過する位置に前記散乱体を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【請求項９】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、
前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビームの散乱角が異なる複数の散乱部材を有し、ビーム中心から離れるにつれて、散乱角が小さい散乱部材を配置し、
前記ビーム輸送系のビーム通過領域であって、通過する前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記散乱部材のうち最も散乱角が大きい前記散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置する散乱体制御装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１０】
前記散乱体は、前記散乱角が異なる複数の散乱部材を通過した前記荷電粒子ビームの水等価の飛程が同じになるような厚みを有することを特徴とする請求項９に記載の粒子線治療システム。
【請求項１１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを標的領域に照射する粒子線照射装置と、前記加速器と前記粒子線照射装置をつなぐビーム輸送系と、第１散乱部材及び前記荷電粒子ビームの散乱角が前記第１散乱部材よりも大きい物質で構成される第２散乱部材を有する散乱体と、前記散乱体をビーム輸送系のビーム通過領域に配置する散乱体制御装置を備える粒子線治療システムの粒子線照射方法であって、
前記散乱体制御装置は、前記荷電粒子ビームのビーム径が短い領域を、前記第２散乱部材の長軸が横切るように前記散乱体を配置し、
前記散乱体を通過した前記荷電粒子ビームを前記粒子線照射装置に輸送し、
この輸送された前記荷電粒子ビームを、前記粒子線照射装置に配置された走査電磁石で偏向して出射することを特徴とする粒子線治療システムの粒子線照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５０６６０（Ｐ２０１１−５０６６０Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０４２４９（Ｐ２００９−２０４２４９）
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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